ข้อกำหนดความเรียบระนาบสำหรับบอร์ดอินเทอร์เฟซ CoC
บอร์ดซ็อกเก็ตชิปบนแคริเออร์ (CoC) เป็นส่วนประกอบเชิงกลที่ทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซระหว่างหัวทดสอบกับอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการทดสอบ แตกต่างจากการประกอบ BGA มาตรฐานออกแบบมาเพื่อติดตั้งภายในตู้หรือโครงเครื่องของระบบ ความระนาบร่วมด้านบัดกรีของบอร์ด CoC จะเป็นตัวกำหนดความน่าเชื่อถือของการสัมผัสหน้าคอนแทกต์โดยตรงตลอดรอบการเสียบหัวโพรบหรือพินโพโกซ้ำหลาย ๆ ครั้ง
ในขณะที่การประกอบ BGA ทั่วไปโดยทั่วไปสามารถยอมรับค่าความราบร่วมในช่วง 100–150 ไมโครเมตร ซึ่งสอดคล้องกับค่ามาตรฐานทั่วไปเกณฑ์การยอมรับตามมาตรฐาน IPC-A-610โดยทั่วไปแล้ว แผงวงจรเชื่อมต่อ CoC ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งาน ATE มักต้องการความอยู่ในระนาบร่วมกันต่ำกว่า 50 ไมโครเมตรทั่วทั้งแถวของบอลทั้งหมด — ค่าความคลาดเคลื่อนถูกทำให้เข้มงวดขึ้นโดยเพิ่มเป็นสองถึงสามเท่าเมื่อเทียบกับงาน BGA แบบดั้งเดิม ความแตกต่างนี้เป็นเรื่องของการทำงานมากกว่าความสวยงาม ด้วยเหตุผลต่อไปนี้:
การกระจายแรงสัมผัสซ็อกเก็ตทดสอบขึ้นอยู่กับการอัดตัวตามแกน Z ที่สม่ำเสมอทั่วทั้งสนามพิน ความคลาดเคลื่อนของความสูงลูกบอล 60–80 ไมโครเมตรเมื่อเทียบกับระนาบอาร์เรย์ เพียงพอที่จะเปลี่ยนแรงกดสัมผัสเฉพาะจุดจนทำให้เกิดวงจรเปิดเป็นระยะ ๆ หรือค่าความต้านทานสัมผัสที่สูงขึ้น
ความสมบูรณ์ของสัญญาณที่จุดเปลี่ยนผ่านซ็อกเก็ต: ความสูงของบอลที่ไม่สม่ำเสมอจะเปลี่ยนความยาวรอยเชื่อมต่อที่มีผลและรูปทรงของสตับ via ที่จุดเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นตัวแปรที่มีความสำคัญเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของการทดสอบด้วย ATE สูงขึ้น
การกระจายการสึกหรอของซ็อกเก็ตบอร์ดที่มีความไม่ราบเรียบเกือบอยู่ในระนาบเดียวกันมักเร่งการสึกหรอของขาพินซ็อกเก็ต เนื่องจากแรงสัมผัสไม่ได้ถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้พินบางตัวรับภาระเชิงกลมากเกินไปตลอดรอบการทำงานของพื้นที่ทดสอบ
จากการพึ่งพิงกันเชิงหน้าที่เหล่านี้ การประกอบ CoC ไม่สามารถควบคุมได้ด้วยกระบวนการมาตรฐานของ BGA เพียงอย่างเดียว วินัยในกระบวนการจำเป็นต้องได้รับการเสริมความเข้มแข็งในแต่ละขั้นตอน ได้แก่ การพิมพ์บัดกรี การวางชิ้นส่วน การรีโฟลว์ และการตรวจสอบหลังการรีโฟลว์ แทนที่จะไปเน้นเฉพาะที่การตรวจสอบขั้นสุดท้ายเท่านั้น
แหล่งที่มาของการโก่งตัวในบอร์ด ATE ที่มีจำนวนชั้นสูง
บอร์ดอินเทอร์เฟซ ATE มักถูกสร้างด้วยจำนวนชั้นที่สูง (16–24 ชั้นหรือมากกว่า) เพื่อรองรับการกระจายลายวงจรจากโพรบที่มีความหนาแน่นสูง โครงสร้างแบบนี้เองก็เป็นปัจจัยที่ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการโก่งงอ และกระบวนการรีโฟลว์คือขั้นตอนที่ความเค้นภายในที่แฝงอยู่เริ่มปรากฏให้เห็นในเชิงมิติ กลไกหลักที่เป็นปัจจัยร่วมประกอบด้วย:
การกระจายตัวของทองแดงที่ไม่สมมาตร: น้ำหนักทองแดงหรือความหนาแน่นของเพลนที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างแต่ละชั้นทำให้เกิดพฤติกรรมสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ที่แตกต่างกันตลอดช่วงอุณหภูมิการรีโฟล ส่งผลให้แผ่นวงจรเกิดการโก่งตัวเมื่อเย็นตัวลง
บริเวณที่อุดมด้วยเรซิน เทียบกับบริเวณที่อุดมด้วยทองแดงโครงสร้างหลายชั้นที่มีปริมาณเรซินไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งแผงจะขยายและหดตัวในอัตราที่แตกต่างกันภายใต้อุณหภูมิสูงสุดช่วง 235–245°C ของหน้าต่างการรีโฟลว์ ซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของโปรไฟล์โลหะผสม SAC
ผลของมวลบรรจุภัณฑ์เฉพาะที่: แพ็คเกจ CoC ที่มีจำนวนบอลเชื่อมต่อสูงซึ่งถูกวางไว้บนบริเวณแผ่นวงจรที่ค่อนข้างบางอาจทำให้เกิด “การโก่งตัวของชิป” เฉพาะจุดในระหว่างช่วงการเปลี่ยนสถานะของประสานจากของเหลวเป็นของแข็ง ซึ่งถูกซ้อนทับอยู่บนการโก่งตัวของแผ่นวงจรพื้นฐาน
ความเค้นลามิเนตที่สืบทอดส่วนหนึ่งของการโก่งงอที่สังเกตได้ไม่ได้มีสาเหตุมาจากกระบวนการ SMT แต่เกิดจากแผ่นลามิเนตเปล่าเอง ซึ่งจะเห็นได้ชัดเจนก็ต่อเมื่อแผงถูกนำไปผ่านการไหลบัดกรีด้วยรอบการให้ความร้อนแบบรีโฟลว์
ข้อจำกัดการบิดงอด้วยฟิกซ์เจอร์หินสังเคราะห์
เพื่อลดผลกระทบเหล่านี้อุปกรณ์หินสังเคราะห์ถูกใช้งานระหว่างกระบวนการรีโฟลว์สำหรับ CoC และแอสเซมบลี ATE แบบหลายชั้นระดับสูงอื่น ๆ หินสังเคราะห์ — วัสดุจับยึดแบบคอมโพสิตเซรามิกที่ผ่านกระบวนการทางวิศวกรรม — ถูกเลือกมาโดยเฉพาะเนื่องจากมวลความร้อนและความเสถียรของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เมื่อเทียบกับฟิกซ์เจอร์แคเรียร์อะลูมิเนียมหรือ FR4 มาตรฐานตลอดโปรไฟล์อุณหภูมิของการรีโฟลว์
พารามิเตอร์การทำงานที่ใช้ในกระบวนการนี้ประกอบด้วย:
ติดต่อฝ่ายสนับสนุนแบบเต็มแผงมากกว่าการยึดด้วยแคลมป์ที่ขอบเพียงอย่างเดียว ฟิกซ์เจอร์จะถูกกลึงให้ตรงกับความหนาของแผ่นและรูปทรงของช่องตัดเฉพาะ โดยยึดตรึงแผงตลอดทั้งพื้นที่ผิวของมันแทนที่จะยึดเพียงบริเวณขอบเท่านั้น
ความเข้ากันได้ของการเพิ่มอุณหภูมิแบบไล่ระดับเลือกมวลของฟิกซ์เจอร์เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดความหน่วงทางความร้อน ซึ่งอาจทำให้โปรไฟล์การรีโฟลว์เฉพาะจุดของบอร์ดเบี่ยงเบนไปจากเส้นโค้งที่ผ่านการรับรองแล้วซึ่งใช้งานบนเตารีโฟลว์รุ่น JTR-1200D-N
การพักชิ้นงานบนฟิกซ์เจอร์หลังการรีโฟลว์แผ่นบอร์ดยังคงอยู่ในแท่นหินตลอดช่วงการทำให้เย็นลงเริ่มต้น เนื่องจากสัดส่วนสำคัญของการบิดตัวขั้นสุดท้ายจะถูกกำหนดขึ้นในระหว่างกระบวนการแข็งตัวและช่วงเวลาหลังการเย็นตัวสูงสุดทันที มากกว่าที่จะเกิดจากเฟสไอเพียงอย่างเดียว
วิธีการนี้ไม่ได้กำจัดการบิดงออย่างสิ้นเชิง เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างวัสดุยังคงเป็นข้อจำกัดทางกายภาพ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ช่วยจำกัดแผงให้อยู่ภายในกรอบมิติที่สามารถทำซ้ำได้ ซึ่งทำให้สามารถบรรลุข้อกำหนดด้านความเรียบระนาบร่วมกันได้อย่างน่าเชื่อถือ
การตรวจสอบ AOI แบบสามมิติสองขั้นตอนสำหรับการยืนยันความราบในระนาบร่วม
การตรวจสอบที่ดำเนินการหลังการรีโฟลว์เท่านั้นจะไม่มีโอกาสในการดำเนินการแก้ไขใด ๆ เนื่องจากในจุดนั้นแอสเซมบลีได้ถูกบัดกรีอย่างสมบูรณ์แล้ว ด้วยเหตุนี้ การประกอบ CoC จึงได้รับการสนับสนุนโดย3D AOI พร้อมการวัดรูปร่างด้วยเลเซอร์นำไปใช้ในสองขั้นตอนกระบวนการที่แตกต่างกัน:
หลังการวางชิ้นส่วน ก่อนการรีโฟลว์: 3D AOI จะตรวจสอบความสม่ำเสมอของความสูงของบอลและบัดกรี พร้อมทั้งความแม่นยำของการวางชิ้นงาน ทันทีหลังการทำงานของเครื่องพิมพ์/จ่ายบัดกรีแบบเจ็ต MYCRONIC และอุปกรณ์วางชิ้นส่วน ก่อนกระบวนการรีโฟลว์ ขั้นตอนนี้ช่วยระบุความไม่สม่ำเสมอของปริมาณบัดกรีหรือการเอียงของการวางชิ้นงาน ในขณะที่การแก้ไขงานซ่อมยังสามารถทำได้โดยง่าย
หลังการรีโฟลว์แพลตฟอร์ม AOI แบบ 3 มิติเดียวกันจะทำการวัดความสูงของลูกบอลบัดกรีและความเป็นระนาบร่วมอีกครั้งหลังจากการแข็งตัว โดยตรวจจับการโก่งตัวที่เหลืออยู่ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการให้ความร้อน แม้จะมีการยึดด้วยฟิกซ์เจอร์ก็ตาม
คุณค่าหลักของการคงไว้ซึ่งจุดตรวจสอบทั้งสองบนอุปกรณ์วัดที่เทียบเท่ากันอยู่ที่การหาความสัมพันธ์ของข้อมูลเมื่อข้อมูลการพิมพ์ครีมบัดกรีก่อนการรีโฟลว์และข้อมูลการวางชิ้นส่วนแสดงให้เห็นว่าสอดคล้องตามข้อกำหนด แต่การวัดความระนาบร่วมหลังการรีโฟลว์ไม่ผ่านสเปก แหล่งที่มาของความบกพร่องจึงสามารถระบุได้อย่างมั่นใจว่าเกิดจากกระบวนการให้ความร้อน ไม่ใช่จากขั้นตอนการพิมพ์หรือการวางชิ้นส่วน ความแตกต่างนี้เป็นตัวกำหนดว่าควรดำเนินการแก้ไขโดยการรับรองแม่แบบสเตนซิลใหม่ หรือทบทวนโปรไฟล์และฟิกซ์เจอร์ของกระบวนการรีโฟลว์ ซึ่งเป็นการระบุสาเหตุที่ไม่อาจชี้ชัดได้หากไม่มีข้อมูลการวัดแบบจับคู่กัน
การตรวจสอบเอ็กซเรย์มุมเอียงสำหรับ BGA หลายชั้น
การตรวจสอบด้วยเอ็กซเรย์แบบดั้งเดิมจากด้านบนมีข้อจำกัดในความสามารถในการแยกความแตกต่างของแพ็คเกจ BGA แบบหลายชั้นที่ซ้อนกันหรือวางชิดกัน เนื่องจากลูกบอลบัดกรีจากแต่ละชั้นอาจทับซ้อนกันในภาพฉาย ทำให้การระบุข้อบกพร่องของโพรงอากาศหรือการเชื่อมติดกันผิดปกติให้ชัดเจนว่าเกิดในชั้นใดทำได้ยาก
Theความสามารถในการตรวจสอบด้วยมุมเอียง (ได้ถึง ±15°) ของระบบตรวจสอบเอ็กซเรย์แบบออฟไลน์จัดการกับข้อจำกัดนี้โดยตรง:
การแยกชั้น: การปรับมุมมองช่วยชดเชยตำแหน่งชุดลูกบอลของแพ็กเกจที่ซ้อนกันในเชิงเรขาคณิตภายในภาพที่ได้ ทำให้แถวลูกบอลด้านบนและด้านล่างไม่บังซึ่งกันและกัน
การหาปริมาณช่องว่างจำเพาะต่อชั้นการวัดเปอร์เซ็นต์โพรงของ BGA หรือ QFN อย่างแม่นยำจำเป็นต้องแยกลูกบอลประสานที่เกี่ยวข้องออกจากชั้นข้างเคียงภายในภาพ การตรวจสอบด้วยมุมเอียงช่วยให้เกิดการแยกนี้สำหรับแพ็กเกจแบบหลายไดหรือแบบซ้อน CoC
การจำแนกความหมายของคำว่า "สะพาน" และ "ช่องว่าง": เมื่อมองจากมุมมองด้านบนในแนวตั้งตรง ข้อบกพร่องแบบสะพานบนชั้นที่อยู่ล่างกว่าอาจมีลักษณะคล้ายกับลวดลายช่องว่างบนชั้นที่อยู่ด้านบน มุมมองแบบเอียงช่วยให้สามารถระบุได้ว่าชั้นใดเป็นแหล่งที่มาที่แท้จริงของข้อบกพร่อง
การตรวจสอบย้อนกลับของ MES ที่เชื่อมโยงกับอายุการใช้งานของหัวสัมผัสโปรบ
สำหรับบอร์ดอินเทอร์เฟซ ATE ความสามารถในการติดตามย้อนกลับมีหน้าที่ที่ขยายออกไปมากกว่าการจัดทำเอกสารด้านคุณภาพ โดยยังให้ข้อมูลเพื่อการวางแผนการบำรุงรักษาพินโพรบและซ็อกเก็ตบนพื้นที่ทดสอบของลูกค้าแพลตฟอร์ม MES อัจฉริยะ โดยใช้การมาร์กด้วยเลเซอร์ UIDจะเชื่อมโยงหมายเลขซีเรียลของบอร์ดแต่ละตัวกับบันทึกกระบวนการต่อไปนี้:
ข้อมูลล็อตของครีมประสานและลูกบอลใช้ในขั้นตอนการจัดวาง ช่วยให้สามารถติดตามย้อนกลับไปข้างหน้าจากความผิดปกติในระดับล็อตไปยังบอร์ดที่ประกอบเฉพาะได้
บันทึกกราฟการรีโฟลว์จริงถูกบันทึกแยกตามแต่ละแผง แทนที่จะอ้างอิงเฉพาะโปรไฟล์ตามชื่อเพียงอย่างเดียว ทำให้สามารถอ้างอิงไขว้บอร์ดที่แสดงให้เห็นการเสื่อมสภาพของหน้าสัมผัสก่อนกำหนดกับประวัติอุณหภูมิจริงของมัน แทนที่จะอ้างอิงตามข้อกำหนดกระบวนการในเชิงทฤษฎี
การผูกเลขลำดับซีเรียลกับกระบวนการในลักษณะนี้ ทำให้ทีมวิศวกรรมทดสอบของลูกค้าสามารถเชื่อมโยงรูปแบบการสึกหรอของโพรบหรือซ็อกเก็ตที่สังเกตได้เข้ากับล็อตการรีโฟลว์เฉพาะหรือชุดแบทช์ของน้ำยาประสานบัดกรีที่เฉพาะเจาะจง แทนที่จะมองแต่ละบอร์ดเป็นหน่วยที่ไม่แตกต่างกันภายในบันทึกการผลิตทั่วไป
คำแนะนำด้าน DFM สำหรับโปรแกรมบอร์ด CoC และ ATE
กระจายทองแดงอย่างสมมาตรทั่วทั้งโครงสร้างซ้อนทับของเลเยอร์ในระหว่างการออกแบบเลย์เอาต์ แทนที่จะพึ่งพาเพียงแค่การฟิกซ์เจอร์ขั้นปลายทางเพื่อชดเชยการโก่งงอ
ระบุค่าความเผื่อของความเป็นระนาบร่วมกันอย่างชัดเจนภายในแบบการผลิตและการประกอบ ควรระบุข้อกำหนดให้ชัดเจนแทนการอ้างอิงเกณฑ์ทั่วไปของ IPC-A-610 เพื่อลดความคลุมเครือเกี่ยวกับข้อกำหนด CoC-class ที่เข้มงวดมากขึ้น
ผนวกคูปองทดสอบไว้ภายในแผงติดกับบริเวณ BGA ความหนาแน่นสูง ทำให้สามารถสุ่มตรวจสอบความระนาบร่วมหลังการรีโฟลว์ได้อย่างอิสระจากการวัดหน่วยผลิต
ระบุตำแหน่งของ BGA แบบซ้อนหรือหลายชั้นภายในแบบภาพการผลิตเพื่อให้สามารถโปรแกรมล่วงหน้าสำหรับเส้นทางการตรวจสอบเอ็กซเรย์มุมเอียงได้ แทนที่จะต้องกำหนดเส้นทางนี้ระหว่างการตรวจชิ้นงานแรก
PCBCart รองรับโปรแกรม PCBA แบบผสมหลายชนิดในปริมาณการผลิตต่ำ รวมถึงชุดประกอบสำหรับการทดสอบเซมิคอนดักเตอร์และเครื่องมือวัดที่ต้องการการควบคุมความระนาบร่วมที่เข้มงวดและการตรวจสอบกระบวนการ BGA แบบหลายชั้น ทีมวิศวกรรมที่กำลังพัฒนาแผงซ็อกเก็ต CoC หรือโปรแกรม ATE ที่มีจำนวนเลเยอร์สูงได้รับเชิญให้ส่งข้อมูล Stack-up และข้อมูลฟุตพริ้นต์ BGAสำหรับการตรวจสอบ DFM ก่อนการประกอบครั้งแรก
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•การตรวจสอบ DFM ล่วงหน้าฟรี
•คู่มือวิธีการทดสอบ PCB
•ปัจจัยที่ต้องพิจารณาในความสามารถของกระบวนการประกอบ BGA
•การจัดหาและการจัดการชิ้นส่วน
•ติดต่อทีมวิศวกรรมของ PCBCart
